JP2008286438A - 揮発性溶液の添加装置およびガス化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】揮発性溶液の液面面積を変えることで添加割合を変化させ、かつ揮発性溶液における液面と水平方向の液面表面付近に気体を導入することで流体振動を押さえ、揮発性溶液の揮発を制御することができる、揮発性溶液の添加装置を提供する。
【解決手段】本発明の揮発性溶液の添加装置は、気体が一端から供給される気体流入管と、バーナに気体と揮発性溶液を給送するための気体流出管を配置した添加装置を備え、火炎の燃焼制御を行えるようにした揮発性溶液の添加装置において、気体を放出する気体流入管の先端の断面は閉じた平面であり、かつ先端部の側壁面に開口部を設けたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、揮発性溶液などを媒体とした層流場の計測に用いることかでき、また、流れ場を乱さずに層流状態を維持したまま揮発性溶液を一定量添加できる揮発性溶液の添加装置に関する。

従来から知られている燃焼場を可視化する方法は、燃焼器内部の流れや周囲条件などの、流体機械上の気体の流動特性を把握することができ、燃焼器の設計を検討するうえでとても重要である。この方法においては、燃焼器における火炎の伝播速度、燃料と酸化剤の混合濃度、火炎の温度などを非接触により高精度で計測できることが求められている。

ここで、上述した燃焼場を可視化する方法の一例について、図７を参照し説明する。図７において、計測の対象となる流体中にトレーサとして、揮発性溶液を添加することにより火炎特性を検証する従来の一般的な方法として用いられている。この方法においては、揮発性溶液の添加割合を任意に設定する揮発性溶液の添加装置２０における制御が重要となる。すなわち、火炎が計測領域上での可視ができることが必要であり、燃焼場には添加剤である揮発性溶液が予め十分な量が添加されていることが必要不可欠なためである。燃焼場を計測するにはレーザ光源１５からパルス状に射出されたレーザ点光源１６は光学レンズ群１７によってレーザ光が整形され、レーザシート１８のように測定場１９に照射される。この測定場１９の下方には燃焼のための燃料が供給される対象となる、バーナ２１と揮発性溶液の添加装置２０が設置されている。まず、揮発性溶液の添加装置２０に燃料となる気体が供給され、この気体と揮発性溶液の混合気体がバーナ２１へ供給される。このバーナ２１においては、側壁の注入管より空気が供給されてバーナ２１の上部先端へ供給され、燃料と揮発性溶液の混合気体と、空気による火炎が形成されることになる。

火炎の測定領域である測定場１９は、ＣＣＤカメラ２３によって撮影される。測定場１９を計測するには非接触とならざるを得ないため、光学技術を用いて測定するのである。この測定方法では、先に述べた、光学レンズ群１７より測定場１８に向け照射されたレーザ光のレーザシート１８面に対して９０度方向からＣＣＤカメラ２３が蛍光や散乱光などの蛍光発光スペクトルなどの信号を取得する。得られた蛍光発光スペクトルの信号をコンピュータ２３にて情報処理を行うことで燃料と酸化剤の混合濃度、火炎の温度などを明らかにすることができ、燃焼場の特性を検討するのに役立てるのである。

次に、AIAA Paper （米国航空宇宙学会 発表論文） No.2005-1080 (2005) において開示された揮発性溶液の添加装置の例を図８に示す。これは先に図７で説明した、燃焼場を可視化する方法での揮発性溶液の添加装置において、流入気体を複数の系統とした特徴を有するものである。この方法を説明すると、気体は流路を介して送給される途中、複数の系統に分岐され、それぞれ揮発性溶液添加用の気体流量調整器２７、バイパス用の気体流量調整器２８に注入されて流量が調整される。ここで、前者の揮発性溶液添加用の気体流量調整器２７で調整される気体について説明する。流路を介してきた供給された気体は、それぞれの系統に分岐され、気体流路分岐２５を介して気体流量調整器２７により圧力が調整された後、揮発性溶液用容器２９の揮発性溶液３０の液中に供給される。燃料となり得る気体が揮発性溶液中に放出されてバブリングすることで溶液の揮発を促進し、気体に溶液を添加するものである。また、後者の別の一系統、バイパス用の気体流量調整器２８で調整される気体が気体流路分岐２６を介して流入するものである。この気体は、前者のバブリンブされた気体と混合されてバーナ２１に供給される。すなわち、この技術は二つの流量を制御する気体流量調整器２７、気体流量調整器２８によって気体を制御し、燃料となる気体の添加量を一定に保持することに特徴を有する。

また、Applied Optics （米国光学会 公刊論文） Vol.37-21 (1998) pp.4963-4978において開示された揮発性溶液の添加装置を図９に示す。先に説明した図８の技術を基本に、複数の系統に分岐された気体が調整されて、再度、混合となる箇所にダンプタンク３１を設けることで、気体の均一性と擾乱の抑制を目的としたものである。

AIAA Paper （米国航空宇宙学会 研究論文）No.2005-1080 Applied Optics（米国光学会 公刊論文）Vol.37-21 (1998) pp.4963-4978

しかしながら、前述した揮発性溶液の添加装置では、複数の分岐されたうちの一系でのバブリングによる気体の燃料とし、また、複数の分岐されたうちの別の一系の気体が混合することは気流の乱れを招くものであり、必要な気体の均一性と擾乱の抑制を満足するものではなかった。また、気体の添加割合を一定に保つために気体流量調整器を用いることで制御系が複数以上必要となり、複数の分岐された気体を混合する構造上、その制御が複雑になるという欠点があった。

また、揮発性溶液中で気体を放出するバブリング方式では、バブリングによって生じる気泡の破裂などで、微小圧力変動が起こる。この気体と揮発性溶液とが別系の気体と混合され、バーナに供給されることで、流体が脈動させてしまう欠点があり、火炎が安定化しない問題が生じる。

さらに、揮発性溶液の添加装置を用いる図９の方法では、擾乱の抑制にダンプタンクを設けることを必要とし、流体の流入流量が増加するに従い、そのダンプタンクの容量を大きくしなければならず、装置規模の大型化、コストの増大となるとともに、火炎の制御が不安定であるという問題がある。

上記の問題を解決するために、本発明は、火炎の安定化を図るために、揮発性溶液の液面面積を変えることで添加割合を変化させ、かつ揮発性溶液における液面と水平方向の液面表面付近に気体を導入することで流体振動を押さえ、揮発性溶液の揮発を制御することができる、揮発性溶液の添加装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に基づく揮発性溶液の添加装置は、気体が一端から供給される気体流入管と、バーナに気体と揮発性溶液を給送するための気体流出管を配置した添加装置を備え、燃焼場を乱さずに揮発性溶液を安定供給できるようにした揮発性溶液の添加装置において、気体を放出する気体流入管の先端の断面は閉じた平面であり、かつ先端部の側壁面に開口部を設けたことを特徴としている。

また、前記気体流入管の複数の開口部が気体流入管の中心軸に放射上に複数の開口部が設けられることを特徴としている。

さらに、前記気体流入管の先端の閉じた平面の平行方向軸に沿ったように側壁面の開口が設けられることを特徴としている。

本発明では、前記気体流入管の先端は揮発性溶液の水面上に位置し、該気体流出管は相対する添加装置の容器口に配置されることを特徴としている。

さらに、本発明においては、気体が一端から供給される工程と、供給対象に気体と揮発性溶液を給送するための工程と、前記気体が流入管によって供給され、その流入管の先端の断面は閉じた平面であり、かつ先端部の側壁面に開口部があり、気体が放出されて揮発性溶液に接触させ、気体と揮発した溶液の混合の気体を製造する工程とを特徴とする揮発性溶液のガス化方法。

また、前記揮発性溶液はアセトンを含むものとし、揮発性溶液のガス化方法。

請求項１ないし６のいずれかに記載された揮発性溶液の添加装置を備えた溶射装置。

以上説明したように、本発明の揮発性溶液の添加装置によれば、トレーサにおける揮発性溶液の液面面積を制御することで添加割合を変化させることで、揮発性溶液の気体が擾乱するのを防止することができる。よって、揮発性溶液を有する安定した気体を長時間供給対象に供給でき、安定した測定場を形成できることから非接触計測が容易に行える効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。本発明においては、後述する実施例の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の揮発性溶液の添加装置の一例を示す構成図である。図１に示す揮発性溶液の添加装置添加装置は、図７に示した従来の装置と同一ないし形態が類似しているものである。この図１において、気体が流入される気体流入管４は発性溶液用円形容器蓋３の上部においてゴム栓７によって固定、気密されており、さらに気体流入管４は揮発性溶液用円形容器２の内部でＬ字型となしており、底辺に向かって伸びるに配置されている。気体流入管４は揮発性溶液に耐性となる管を用いられている。揮発性溶液用円形容器２の底部には揮発性溶液９が入れられており、中蓋１０が揮発性溶液９に浸かるように設けられている。揮発性溶液用円形容器２には揮発性溶液９が入れられているため、揮発性溶液用円形容器蓋３で覆い、樹脂性のパッキン６により気密が保たれている。流入管４の近傍にはアルコール温度計８が設けられており、揮発性溶液用円形容器２の底部の揮発性溶液９に浸かり、溶液温度管理を用いられる。

尚、揮発性溶液用円形容器２は、例えば、水浴用水槽１に約８リットルの水１１を満たし、その水溶液中に容器の約１／２から１／３程度浸かった形態とし、揮発性溶液９の温度を一定に保つ目的としている。

また、揮発性溶液９の気化が始まると、揮発性溶液９自体の熱が奪われて温度が徐々に低下するが、ある程度、時間が経過し温度平衡に達すると揮発性溶液９の溶液温度が一定となる。

次に、気体流入管４における気体の流入および揮発性溶液が添加された気体の流出の作用を次に説明する。

図２は、気体流入管４の先端の形状を示す一例の概念図である。気体流入管４は円柱の管の形態をなしており、その先端は揮発性溶液用円形容器２の底部に入れられている揮発性溶液９の水面上に位置している。水面と向い合うに気体流入管４の断面１３は閉じた形態であり、ここから気体は流出できないようになっている。

気体流入管４の先端部における管の側壁面には、放射上に複数の開口部１２が設けられており、この開口部１２より気体が揮発性溶液９の水面に対して平行な方向に放出されることで、気体が揮発性溶液９に直接当たらないようになっている。これは気体が必要以上に揮発性溶液９の揮発を抑制させる作用を持ち、揮発性溶液９の液面振動に影響を与えないようにするものである。

図３における中蓋１０について説明する。中蓋１０の内側の断面１４は空洞の態様であり、外側はドーナツ状の蓋の形態をなしている。揮発性溶液９が揮発する容量は断面１４の断面積を変化させることで、揮発する量を制御できる作用がある。

中蓋１０は、揮発性溶液用円形容器２へ開口部面積の異なる中蓋１０（特に図示せず）を交換することができる。すなわち、揮発性溶液９の気化に寄与する液面面積を制御することで揮発性溶液９の揮発割合が調整するものである。

尚、揮発性溶液用円形容器蓋３の上部にゴム栓７によって固定されている気体排出管５に至るまでに十分な長さがあるため、揮発した溶液の気体が空間中に拡散し均一化を図れるような形態としている。

図７は本発明の揮発性溶液の添加装置を用いて、中蓋１０の断面１４の面積を変化させたときの揮発性溶液の添加量の変化を示す図である。例えば、揮発性溶液９としてアセトン、溶液温度を２０℃、気体流入管４からの気体流量を１．５ l/min一定としたとき、断面１４の変化に対するアセトン添加量（体積分率）を示すものであり、面積の変化によってアセトン添加量が直線的に変化していることが分かる。

図８は本発明の揮発性溶液の添加装置を用いて、流入管１５からの気体流入量を変化させたときの揮発性溶液の添加量を測定した図である。例えば、揮発性溶液９としてアセトン、溶液温度を２０℃、中蓋１０の断面１４の面積を７８．５cm²一定としたとき、流入気体流量の変化に対するアセトン添加量（体積分率）を示すものであり、流入気体流量の変化に影響されず、アセトン添加量がほぼ一定であることが分かる。

試験例１。上記実施の形態に示した揮発性溶液の添加装置を用いて、次の諸元及び条件にて、燃焼場の試験測定を行った。試験測定における手順ならびにデータを以下に示す。

本発明の揮発性溶液の添加装置１の特性評価の手順ならび条件を簡単に説明する。図１において、揮発性溶液９に耐性な材質である揮発性溶液用円形容器２の直径は９５mm、高さが１４７mmである。この揮発性溶液用円形容器２と揮発性溶液用円形容器蓋３との間は、ゴム栓７で密閉され、揮発性溶液用円形容器蓋３の上部には樹脂製のパッキン６により、気体流入管４および気体流出管５が貫通する形態としている。この気体流入管４の外径は５mm、内径が４mmとし揮発性溶液に耐性な材質の管である。中蓋１０は高さが４０mmの揮発性溶液に耐性な材質の蓋であり、内側の断面１４は空洞で、その外側はドーナツ状の蓋となり、揮発性溶液９が揮発する容量を断面１４の面積で揮発割合を調整するのである。気体流出管５は外径が５mm、内径が４mmの揮発性溶液に耐性な材質の管であり、揮発性溶液用円形容器２の底面からの距離が１４７mm以上であり、揮発した溶液が気体中に拡散する際に均一に添加できる空間の距離としている。

測定結果。図６は、図７の気体流入管が揮発性溶液に浸した形態である従来のバブリング手法と、そして、図１の本発明の揮発性溶液の添加装置を用いた、燃場を比較、検証した態様である。この検証においては、従来のバブリング手法と本発明の揮発性溶液の添加装置における条件は、揮発性溶液としてアセトン、溶液温度を２０℃とし、本発明の揮発性溶液の添加装置においては中蓋の面積を７８．５cm²一定とした。
図６の測定結果より、左側、従来のバブリング手法では流れ場が乱されて、噴流が時間経過とともに振動する様子が明確であり、本発明における揮発性溶液の添加装置を用いた検証では、流れ場が層流のまま維持され、振動しない様子が分かる。

燃焼において、燃焼器内部の流れや周囲条件などの流体機械上の気体の流動特性を把握することは、燃焼器の設計を検討するうえで重要な要素である。本発明における揮発性溶液の添加装置を用いた検証ならば、燃焼器における燃焼の安定化を実現でき、燃料と酸化剤の混合濃度、火炎の温度などを非接触により高精度、定量化で計測できることが分かった。

以上説明したように、本発明によれば、揮発性溶液の液面面積を変えることで添加割合を変化させ、かつ揮発性溶液における液面と水平方向の液面表面付近に気体を導入することで流体振動を押さえ、揮発性溶液の揮発を制御することができる、揮発性溶液の添加装置を提供する。本発明の揮発性溶液の添加装置は、例えば、次世代燃焼技術(ＨｉＣＯＴ)、マイクロガスタービン、次世代ディ−ゼルエンジンなどにおける、燃料噴射、保炎装置など、諸条件を変更せずに揮発性溶液を添加したい対象場に適用できる。

本発明の揮発性溶液の添加装置の一例を示す構成図である。 本発明の揮発性溶液の添加装置に用いる気体流入管先端の形状を示す一例の概念図である。 本発明の揮発性溶液の添加装置に用いる中蓋の形状を示す一例の概念図である。 本発明の揮発性溶液の添加装置を用いて、中蓋面積を変化させたときの揮発性溶液添加量との関係を示した図である。 本発明の揮発性溶液の添加装置を用いて、流入気体流量を変化させたときの揮発性溶液添加量との関係を示した図である。 従来型のバブリング手法と本発明の揮発性溶液の添加装置を用いた、燃焼場の可視化画像である。 従来の流れを可視化する技術の一例を示す構成図である。 従来の揮発性溶液の添加装置の一例を示す構成図である。 従来の揮発性溶液の添加装置の擾乱低減の一例を示す構成図である。

符号の説明

１ 水浴用水槽
２ 揮発性溶液用円形容器
３ 揮発性溶液用円形容器蓋
４ 気体流入管
５ 気体流出管
６ パッキン
７ ゴム栓
８ アルコール温度計
９ 揮発性溶液
１０ 中蓋
１２ 気体流入管開口部
１５ レーザ光源
１６ レーザ点光源
１７ 光学レンズ群
１８ レーザシート
１９ 測定場
２０ 揮発性溶液の添加装置
２１ バーナ
２２ パスルジェネレータ
２３ ＣＣＤカメラ
２４ コンピュータ
２５ 気体流路分岐１
２６ 気体流路分岐２
２７ 気体流量調整器１
２８ 気体流量調整器２
２９ 揮発性溶液用容器
３０ 揮発性溶液
３１ ダンプタンク

Claims (7)

1. 気体が一端から供給される気体流入管と、供給対象に気体と揮発性溶液を給送するための気体流出管を配置した添加装置を備え、火炎などの流れ場の条件に安定性が大きく影響するような対象の形成条件を変えずに揮発性溶液を添加できるようにした揮発性溶液の添加装置において、気体を放出する気体流入管の先端の断面は閉じた平面であり、かつ先端部の側壁面に開口部を設けたことを特徴とする揮発性溶液の添加装置。
2. 前記気体流入管の複数の開口部が気体流入管の中心軸に放射上に複数の開口部が設けられることを特徴とする請求項１に記載の揮発性溶液の添加装置。
3. 前記気体流入管の先端の閉じた平面の平行方向軸に沿ったように側壁面の開口が設けられることを特徴とする請求項２に記載の揮発性溶液の添加装置。
4. 前記気体流入管の先端は揮発性溶液の水面上に位置し、該気体流出管は相対する添加装置の容器口に配置されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の揮発性溶液の添加装置。
5. 気体が一端から供給される工程と、供給対象に気体と揮発性溶液を給送するための工程と、前記気体が流入管によって供給され、その流入管の先端の断面は閉じた平面であり、かつ先端部の側壁面に開口部があり、気体が放出されて揮発性溶液に接触させ、気体と揮発した溶液の混合の気体を製造する工程とを特徴とする揮発性溶液のガス化方法。
6. 前記揮発性溶液はアセトンを含む、請求項１ないし５のいずれかに記載の揮発性溶液のガス化方法。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載された揮発性溶液の添加装置を備えた溶射装置。